Доступны ли сегодня солнечные панели, способные работать в течение различных лунных дней?

Ну, во-первых, поправка относительно того, что ни один луноход (на солнечных батареях) или инструмент на Луне никогда не проезжал через ночь и никто даже не пытался. Было несколько инструментов и два вездехода, которые прошли по крайней мере одну, если не несколько лунных ночей:

• Surveyor 1 работал на солнечной энергии, приземлился на Луне 2 июня 1966 года и продолжал возвращать данные до 7 января 1967 года.
• Surveyor 3 приземлился 20 апреля 1967 года и был активен до 3 мая 1967 года.
• Сюрвейер 5 с 11 сентября 1967 г. по 17 декабря 1967 г.
• «Сервейер-6 », приземлившийся 10 ноября 1967 года, едва пережил одну лунную ночь и после нее не вернул никаких полезных данных, но все-таки справился.
• Surveyor 7 , который приземлился 9 января 1968 года, также получил повреждение батареи во время своей первой лунной ночи, но ему удалось вернуть некоторые полезные данные, а не просто дразнить, что он все еще жив, а затем умер, как его предшественник.
• Луноход-1 приземлился 17 ноября 1970 г., последний раз с ним связывались 14 сентября 1971 г.
• Луноход-2 приземлился 15 января 1973 года, достиг рекордной дальности перемещения вне Земли, побитой только марсоходом Opportunity на Марсе 41 год спустя, и, по оценкам, он умер из-за перегрева 3 июня 1973 года.

Это мало говорит нам о долговечности сегодняшних солнечных панелей на поверхности Луны или об эффектах термоциклирования, поскольку все эти достижения, вероятно, старше, чем среднестатистический читатель.

К счастью, НАСА приходит на помощь в анализе стационарных проектов поверхностных энергетических систем на основе фотоэлектрических элементов на Южном полюсе Луны , Джошуа Э. Фри, Исследовательский центр Гленна, 2009 г. (PDF). Окружающая среда, выбранная для исследования, возможно, еще более суровая, хотя периоды термоциклирования в среднем составляют примерно один раз в год, а не один раз в месяц ближе к лунному экватору. Тем не менее, он дает хороший обзор проблем и предполагаемого срока службы фотоэлектрических регенеративных (использующих водородные топливные элементы) энергетических систем.

Если я правильно читаю документ, общая долговечность системы рекуперации энергии оценивается в 10 лет, при минимальном уровне заряда водородного бака на уровне 10% для варианта 0 RFC (регенеративный топливный элемент) мощностью 9,9 кВт с общей массой системы питания 2860 кг. .

Здесь стоит отметить одну вещь: топливные элементы генерируют значительное количество тепловой энергии (более эффективные водородные топливные элементы работают при температуре примерно 1000 К), поэтому управление температурным режимом также может быть спроектировано таким образом, чтобы оно было самодостаточным, пока топливные элементы служат. Дополнительными проблемами, влияющими на срок службы элементов солнечной батареи, также являются пыль, радиация и микрометеориты.

Проблема пыли более подробно объясняется в документе «Поднятие пыли»: экспериментальное исследование, связывающее эрозионный износ лунной пыли с потерей солнечной энергии , Иеремия Н. Мпагазехе и др., 2013 г. (PDF), но ее можно смягчить, скажем, за счет оптимизации Фотоэлектрические характеристики за счет интеграции слоев электродинамического пылезащитного экрана, S. Nason et al., 2014 (PDF) и стратегическое размещение массивов там, где они не будут подвергаться бомбардировке поднятой пылью. Радиационная среда несколько жестче, чем для солнечных батарей на ГСО, из-за вторичного отраженного от поверхности излучения, поэтому долговечность фотоэлектрических модулей, вероятно, будет ближе к долговечности спутников GPS, находящихся на орбите в пределах радиационных поясов Ван Аллена, и я предполагаю, что деградация ~ 2% в год. вместо более среднего 1%, хотя это мои собственные предположения, и микрометеориты - это то, что вам придется спроектировать, чтобы жить с ними. Некоторые фотоэлектрические конструкции (например, многопереходные элементы , которые НАСА любит использовать для своих зондов и орбитальных аппаратов, несмотря на большую массу, чем, скажем, тонкопленочныеPV) будут терпеть дефекты отдельных ячеек лучше, чем другие, но вы должны проектировать с разумным запасом и избыточностью.

Если бы мне пришлось проектировать то, что вы делаете, я бы, вероятно, выбрал Stretched Lens Array Squarerigger (SLASR) и современную конструкцию многопереходных ячеек. Например, в одном предложенном проекте Europa Orbiter, описанном в публикации « Солнечная энергия для исследования внешних планет» (PDF), используются усовершенствованные массивы SLASR SOA MJ Cell с BOL 45 кВт на расстоянии 1 а.е. с использованием четырех массивов Ultraflex диаметром 7,0 м и общей массой 513 кг. И это было в 2007 году, можно предположить, что к настоящему времени уровень техники несколько улучшился.

Некоторые другие документы, заслуживающие внимания:

• Расчет фотоэлектрических параметров при изменении температуры Луны , Нилкант Г. Дере и Джеймс В. Сантьяго, Центр солнечной энергии Флориды, 1993 г. (PDF)
• Солнечные элементы для лунных применений путем вакуумного испарения материалов лунного реголита , Алекс Игнатьев, Хьюстонский университет, Техас, 1991 г.

И, конечно же, сервер технических отчетов НАСА (NTRS) — ваш друг, когда вы ищете информацию о чем-то, что, возможно, рассматривалось ранее.